Kärnkraftens nya möjligheter - nutid och framtid Imre Pázsit Chalmers tekniska högskola Nukleär teknik Elenergi ur ett svenskt och västsvenskt perspektiv Möte med IVA Väst, 2008-09-08 Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 1
Innehåll 1. Dagens reaktorer och nuläget internationellt 2. Behov och möjlighet för utveckling 3. Nutid: evolution (Generation III och III+) 4. Närmaste framtid: revolution (Generation IV, kulbäddsreaktor, högtemperaturreaktorer för väteproduktion) 5. Längre framtid: acceleratorbaserad transmutation (ADS), fusion-fission hybrid system Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 2
Nuläget Det finns f n 439 reaktorer i drift i 31 länder. De producerar 16 % av världens elektricitet (i Europa 28% av allt el kommer från kkraft). 34 nya reaktorer är under uppbyggnad. Elproduktion i kärnkraft Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 3
Nuvarande reaktortyper Reaktortyp Antal MWe Andel Kokvattenreaktor (BWR) 94 84958 21% Tryckvattenreaktor (PWR) 265 243233 60% FBR 2 690 GCR 18 9034 LWGR 16 11404 PHWR 44 22365 Total 439 371684 Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 4
Bränsle: fissila och fertila (breedbara) ämnen (nuklider) Fissila: udda masstal, t ex U-235, U-233, Pu-239. Jordens reserver består mest av fertila isotoper: U-238 och Th-232. Naturligt uran: - 99.3 % U-238-0.7 % U-235 Anrikat uran Termiska lättvattenreaktorer utnyttjar enbart U-235 innehållet. Bridning: omvandling av fertila till fissila. Kräver överskott av neutroner i reaktorn: plutoniumladdning och snabbt neutronspektrum ( snabb brider ) yttre neutronkanon: acceleratordrivna system, ADS. Utnyttjande av bridtekniken förutsätter upparbetning. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 5
Bränsletillgång - tidsaspekter Idag kända billiga uranreserver i dagens termiska reaktorer : Med övriga, dyra uranreserver, t ex uran i världshaven: Använding av snabba bridreaktorer + billigt uran: Termiska bridreaktorer eller acceleratordrivna system (ADS) som möjliggör användning av torium: 250 år 80.000 år 25.000 år 100.000 år Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 6
Några energikällor Kol Olja Gas Summa fossila Uran i LWR Uran i breeder 24.3 *10 21 J 6.32 *10 21 J 5.59 *10 21 J 36.21 *10 21 J 0.97 *10 21 J 181.85 *10 21 J Energiinnehåll i uran är 2.7% av energiinnehållet i fossila bränslen om vi använder lättvattenreaktorer. Det är 5 gånger så mycket som energin i de fossila bränslena om vi använder breederteknik Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 7
Världens första reaktor som levererade ström var en snabb brideaktor: EBR-I i Idaho, USA (1951) För pionjärerna, bridteknik var en självklarhet!! Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 8
Prototyp av dagens reaktorer (här, en PWR) Termisk neutronspektrum, once-through bränslecykel (avfall) Dåligt utnyttjande av uranet (enbart U-235) Är baserad på aktiv säkerhet (ingrepp av operatör/elektronik) Termisk verkningsgrad: 33% Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 9
Kärnkraftens diskuterade egenskaper Problem Resurshushållning (bränsletillgång) säkerhet (olycka, bränsleskada, utsläpp av radioaktivitet) avfallet spridningsmöjligheter fissilt material ekonomi av Lösning Bridteknik, inklusive ADS passiv säkerhet materialutväckling Gen IV slutförvar; transmutation; Gen IV Safeguard GNEP (Global Nucl. En. Partnersh.) bättre verkningsgrad; Gen IV Väteproduktion i kärnkraft Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 10
Utvecklingsaspekter Bättre konstruktionsmaterial och bränslematerial. Högre temperatur - högre verkningsgrad, mindre risk för härdsmälta Bättre design, helt nya reaktorkonstruktioner (diversifiering, passiv säkerhet, större värmekapacitet) Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 11
Utveckling av kärnkrafttekniken Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 12
Mellan Gen II och Gen III fanns en mångårig stagnation, främst pga Three Mile Island Detta beskrevs av A. M. Weinberg, direktör av Institute for Energy Analysis, Oak Ridge, som end of The First Nuclear Era : In many ways, nuclear energy is a fantastic success......despite this extraordinary accomplishment, the first nuclear era seems to be coming to an end in many countries. Will there be a second nuclear era? (The Future of Nuclear Energy, Physics Today, March 1981) Svaret är ja. Det har redan börjat med Gen-III reaktorerna och symboliseras av begreppet Gen-IV som beskrivs nedan. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 13
Nutid: Generation III och III+ idag Type Model Electric power Supplier Country of origin BWR ABWR 1400 1600 MW GE/Hitachi, Toshiba/W USA Japan SWR1000 1250 MW Areva Tyskland ESBWR 1550 MW GE USA PWR EPR 1600 1750 MW Areva France / Germany AP1000 1100 MW Westinghouse USA APWR 1700 MW Mitsubishi Japan Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 14
EPR: avancerad, högeffekt tryckvattenreaktor Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 15
Tekniska data Olkiluoto 3 Barsebäck 2 Termisk output 4 300 MW 2775 MV Netto eleffekt 1 600 MW 920 MW (1100) Reaktortryck 154 bar 155 bar Ångtemperatur 290 C 276 C Antal bränslepatroner 241 157 Laddning UO 2 128 ton 82 ton Turbiner 1 högtryck + 3 lågtryck Verkningsgrad 37 % 32.3 % 1 högtryck + 3 lågtryck Årlig produktion 13 TWh 7.5 TWh Loops = antal ånggeneratorer 4 3 Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 16
Särskilda egenskaper ekonomisk: bättre el/spillvärme kvot mindre förbrukning av bränsle per MWh mindre avfall förhöjd säkerhet (både härdsmälta och flygattack): redundant 4 x 100% kapacitet kan förbränna mixed oxid (MOX, UO2 + PuO2) bränsle Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 17
Exempel för materialutveckling: kulbäddsreaktorn Kulbäddsreaktorn uppfyller Gen-IV kriteria men utvecklas utanför och parallelt med Gen-IV samarbetet. Bränsle: 15.000 små urankorn i pyrolitisk kol inbäddad i en grafitboll stror som en tennisboll (se nästa sidorna) ytterst värmetåligt (uppemot 2000 C) -> minskar sannolikhet för bränsleskada högre utbränning (av uranet). kylmedlet (heliumgas) har hög gastemperatur, -> högre termisk verkningsgrad bränslebyte under drift -> mindre överskottsreaktivitet reaktorn kan byggas i mindre enheter (mindre inversteringskostnader) Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 18
Pebble bed modular reactor (PBMR) Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 19
Bränslekulor i PBMR (TRISO bränsle) Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 20
Medellång framtid - Generation IV Började i USA med en energiutredning (National Energy Policy) runt 2000. Slutsats: på en medellång tidsperiod är kärnenergi en av de viktigaste energikällorna, därför att kärnreaktorer har en utmärkt driftsäkerhet och genererar elekticitet på ett pålitligt, miljömässigt säkert och ekonomiskt sätt, utan utsläpp av skadliga gaser i atmosfären. Behov (förutom eventuellt ökning av elbehov) gamla uttjända reaktorer måste ersättas nya högtemperaturreaktorer kan producera väte (istället för el) med en verkningsgrad av 60% - stor förbättring av verkningsgrad. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 21
GIF - Generation IV International Forum. China Russia Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 22
Vad är GIF - Generation IV International Forum? Startades i januari 2000 och formellt överenskommet i juli 2001 Internationell överenskommelse mellan 12 länder som kommit överens om att kärnkraften k är viktig för att säkra framtida energitillförsel och välfärd Har enats om att gemensamt utveckla framtida energisystem baserat på kärnkraft Mer än hundra experter från de 12 länderna, IAEA, EU och OECD har gjort en roadmap över utvecklingen GIF beslöt i september 2002 vilka system som man skulle satsa på Westinghouse Proprietary Slide 1
GIF-s smål Utveckla framtida kärnkraftsystem som kan licensieras, konstrueras och drivas på ett sätt som: ger konkurrenskraftig och tillförlitlig produktion av energiprodukter möter säkerhetskrav möter krav på hantering av avfallet hindrar spridning av klyvbart material uppfyller allmänhetens krav på energiproduktionsanläggningar i i Målet är att ha anläggningarna klara för drift runt 2030 Westinghouse Proprietary Slide 2
Sex system stem utvalda för närmare granskning Gas-kyld snabb reaktor (GFR) Bly-kyld y snabb reaktor (LFR) Reaktor med flytande bränsle (MSR) Natrium-kyld snabb reaktor (SFR) Vatten-kyld reaktor med överkritiskt tryck (SCWR) Högtemperaturreaktor (VHTR) Westinghouse Proprietary Slide 3
GFR - Gas Cooled Fast Reactor System Ca 300 MW He-kyld med 850 C utlopps- temperatur Sluten bränslecykel. Integrerad med en upparbetning och refabrikation av bränslet på anläggningsplatsen Westinghouse Proprietary Slide 4
LFR - Lead-Cooled Fast Reactor System Westinghouse Proprietary Slide 5 Pb eller Pb/Bi kylmedium. Antingen en uppsättning batterier (50-150 MW) eller modulärt system med 300-400 MW grupper eller ett stort monolitiskt system på 1200 MW. Naturlig konvektion. Utloppstemperatur 550 C - kanske ända upp till 800 C Sluten bränslecykel. Återinmatning av konverterat uran och aktinider
MSR - Molten Salt Reactor System Blanding av natrium, zirkonium och uranfluorider Kanaler i grafit 1000 MWe Utloppstemperatur 700-800 C Sluten bränslecykel bränner Pu och aktinider Undviker bränsletillverkning Westinghouse Proprietary Slide 6
SFR - Sodium-Cooled Fast Reactor System 150-500 MWe med U-Pu-aktinid-Zr metallbränsle med återcykling vid anläggningsplatsen g 500-1500 MWe anläggning med MOX-bränsle och central upparbetning för flera anläggningar 550 C i utloppet Westinghouse Proprietary Slide 7
SCWR - Supercritical-Water-Cooled Reactor System 1700 MWe 250 bar, 510 C (ev 550 C) Termiskt eller snabbt neutronflöde Full aktinidåterföring med snabbt flöde (från central upparbetning) Westinghouse Proprietary Slide 8
VHTR - Very-High-Temperature Reactor System Grafitmodererad, He-kyld, utloppstem-peratur pe 1000 C 600 MWth Härd med prismatiska block eller bränslekulor (pebble bed) Väl lämpad för vätgasgenerering U/Pu-bränsle Westinghouse Proprietary Slide 9
Högtemperaturreaktor för väteproduktion (ej Gen-IV) Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 23
Längre framtid Omhändertagandet av långlivat avfall I Sverige: slutförvar enligt SKBs KBS-3 metod: geologiskt slutförvar. Den är en säker metod för hantering av utbränt kärnbränsle. Nackdelen är att det är en gigantisk slöseri med värdefullt fissilt/ klyvbart material. Bridteknik, och särskilt acceleratordriven transmutation (ADS) ger möjlighet att ta tillvara energiinnehållet i klyvbart material samtidigt som att den minskar mängden högaktivt avfall för slutförvar. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 24
Avfall från utbränt kärnbränsle fissionsprodukter: kort halveringst. Cesium Strontium Technecium transuraner (aktinider): lång halveringstid Plutonium Americium Neptunium Curium Dessa utgör problem, men kan elimineras med transmutation Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 25
Avfallshantering: transmutation i acceleratordrivna system (ADS) Använder en underkritisk härd med en stark neutronkälla, vanligen baserad på spallation. Fördelar: Bättre driftsäkerhet (underkritisk) Mindre högaktivt avfall (kan förbränna även befintligt avfall) Bättre utnyttjande av bränsle/ resurser (bridning): kan använda torium Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 26
Avklingning av radioaktivitet i bränslet från en konventionell PWR och en Energy Amplifier (ADS) Vanlig PWR: 100.000 år Avfall från transmutor : 500 år Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 27
Spallationsprocessen: kräver en accelerator och målplatta Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 28
Bättre neutronkälla: fusion (istället för acceleratorn) Fusion has powered the observable universe for ~12 billion years - It will eventually power the planet!! Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 29
Alternativ till ADS: fusion-fission hybrid systems. Ingen upparbetn! 100 years from now - Fusion could be phased in to destroy waste left out by the fission reactors Lower demand on Fusion Drive Q ~ 1-2 Excellent neutron spectrum to destroy residual actinides Blanket Transuranics 500 MW Fusion Neutron Source 25-50 MW 50 systems operating for 50 years would end the legacy of fission waste 10 kgtru /GWe Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 30
Läget i Sverige och Västsverige Nordens största kärnkraftsstation finns på västkusten (Ringhals) med plats för minst två reaktorer till. Chalmers har alltid haft en ledande position i reaktorfysik i Sverige. En del av forskningen är internationellt mycket uppmärksammat. Chalmers och E.ON slöt ett avtal om samarbete i utbildning i uthålliga energisystem - 100 Mkr inom ett tioårsperiod. Inom kontraktet ingår inrättande av ett tvåårigt mastersprogram i kärnteknik som kommer att startas 2009. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 31
Slutsats Kärnenergi har en enorm utvecklingspotential. Den är uthållig, ren, säker, modern. Nya kärnreaktorer byggs även i Europa Ny kärnkraft har beställts även i USA. Kommer att vara i full bruk i de närmaste decennierna runtom i världen. Kärnkraftens nutid och framtid Möte med IVA Väst, 8 september 2008 32